港珠澳大桥沉管隧道工程,是目前世界上最大、综合难度最高的沉管隧道之一，为了克服恶劣的海洋施工环境、满足尖端的施工工艺、复杂的地质基础、120年设计寿命和紧张的工期要求，研制建造出了多项大型专用船机设备。其中，研发的全新沉管隧道基床抛石整平船和沉管浮运沉放船属于国内首创，船舶设计建造规模及技术处于世界前列；重大技术改造的精挖船、清淤船和抛石夯平船均属国内首创，技术达到国际先进水平。

港珠澳大桥岛隧工程中的沉管隧道施工，分为水上施工和陆上预制两个部分。其中，水上施工主要分为基槽开挖（工序1粗挖和工序2精挖）、基床抛石整平（工序3抛石夯平和工序4抛石整平)、基槽清淤（工序5）、沉管浮运安装(工序6)、锁定抛石回填（工序7)。除工序1可以采用常规成熟的疏浚船舶进行施工作业外，其余每道工序均需要研发或改造船机设备才能实现施工工艺，保障施工质量、安环和进度。施工工序与施工装备对应关系如图1所示。

图1 工序与施工装备对应示意图

沉管沉放作业前需要在沉放基床上铺设一层约2m厚的碎石，以提高地基的承载能力，满足地基变形和稳定的要求，如图2所示。港珠澳大桥岛隧工程沉管碎石基床具有宽度大、规模大；水深及纵坡变化大；现场作业条件差；精度要求高，要求达到±40mm；作业效率要求高，国内外现有的碎石基础整平设备均难以满足工程规模、水深、作业条件和精度的要求。

图2 抛石整平船施工效果图和实景图

船舶结构与技术参数

船舶结构包括船体、操作室、设于船体中央的月池、横跨月池的整平导向机构、安装在整平导向机构上的抛石整平装置、石料输送机构。 

船舶型长81.8m,型宽46m,型深5.5m,桩腿总长90m,抛石管总长75m,中间月池尺寸59m×30m。最大整平作业水深10～50m,一次最大碎石铺设厚度1.7m,每个船位整平尺寸25m×48m,最大石料粒径80mm,铺设整平精度±40mm,设计铺设速度(沿管节轴线推进速度)≮3m/h，自持力15天。

技术优势

采用齿条自升式平台方案,抛石整平作业可以减少浪、流的影响，有利于提高基床整平的精度，该技术为国内外首创。

集抛石、整平和检测三道工序为一体，满足8个有效工作日内完成单节沉管碎石基床的整平施工，整平效率和单船位整平面积世界第一。

采用独立锚泊的供料船结合带式输送系统的供料方案，提高了作业安全度和作业效率，保障了施工连续性，也属国内首创。

抛石整平施工管理系统采用实时检测、自动控制等先进技术，保证施工精度达到±40mm的要求，处于国际领先地位，如图3所示。

图3 标高检测设计示意图

应用前景分析

在水工施工作业中，不论是打桩、基槽挖泥、起重安装，还是水下炸礁、基床抛石整平、钻探等，都会受到作业水域风、浪、流的影响和制约。自升式抛石整平船将海上施工平台的概念引用到水下抛石整平施工工艺中，具有抗风浪能力强，移动方便，对施工水深和基床厚度适应性较强，施工质量好、效率高的优势，在恶劣的海况条件下也能进行正常基床抛石整平施工作业。另一个优点是造价低、建造周期短，经济性较好，通用性较强，在进行简单的技术改造后，就能在恶劣的海况条件下作为其他用途（如打桩、起重安装、水下炸礁、钻探等）的工程船使用，有着广泛的应用前景。 

沉管预制厂距离沉放安装现场有近10海里，沉管预制完成后需要运送至施工现场进行安装（如图4所示）。运送过程中要对沉管浮态、方位进行测量控制；安装过程中要对沉管进行精确定位并进行对接，需要研制辅助驳船附着在沉管上对整个过程进行控制。

图4 沉管浮运沉放作业效果图和实景图

船舶结构与技术参数

船舶结构包括主船和辅船两个独立的船体，每个船体由两个箱形浮体和一个箱形跨梁组成，船上配备了4台系泊绞车，3台收缩/纵向调节绞车，2台管节垂直调节绞车。

船体主要尺寸：船体浮体型长40.2m，型宽7.2m，型深9m；跨梁型长33m，型宽56.4m，型深3m。设计轻载吃水线5.4m，设计满载吃水线7.3m，作业水深10-50m；发电机组供电能力3×520Kw；沿海作业区域，自持力15天。施工作业通过布置在主甲板上的绞车实现，包括 65t管节水平绞车（主船3台/船，副船2台/船），额定拉力637kN，配备φ52mm钢丝绳600m；40t提升绞车（2台/船）额定拉力392kN，配备φ48mm钢丝绳900m；120t移船绞车（4台/船），额定拉力1176kN，配备φ65 mm钢丝绳685m。 

技术优势

采用双浮驳骑吊法进行施工作业，具有高可靠性，定位精确，沉放时比较平稳，施工费用相对较低等特点，在国内外处于领先的地位。

主副船无线远程操控：主船可以远程无线操控副船上的锚机，实现沉放过程中的集中控制管理，为世界首创，达到国际先进水平。

集中控制技术：沉放过程中，所有的操作都在中央集控室内完成，实现指挥人员集中精确指挥，在国内外沉管安装中处于领先的地位。

采用同步操作技术。沉放绞车具有同步操作的要求，能够实现沉管不同吊点的同步沉放要求，该技术处于国内领先地位。

采用变频驱动电机技术。所有作业绞车均采用变频电机驱动，具有可调节、高控制性，能够简单迅速地变更绞车速度及操作方式要求，该技术处于国内领先地位。

应用前景分析

在水下隧道沉管安装过程中，从出坞、起吊、浮运、海上等待、安装作业等一系列过程中，沉管和安装船都会受到天气窗口的影响。管节安装船在设计过程中，较多地考虑环境条件，不仅自身能够抵抗较恶劣的天气条件，还能够在沉管浮运过程中，抵抗一定的风浪流作用，使得施工作业的天气窗口条件大大降低，提高施工效率和施工质量。相比浮吊等其他的传统工程船，本船具有造价低、建造周期短、经济性好，并且以较低的成本稍加以改造，就能使用在不同尺寸的水下沉管安装工程中，还能经过简单的改造，用于恶劣条件下的水下勘探、沉船打捞等其他工程领域，有着较为广泛的应用前景。

港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道基槽开挖方量为2980万m3，质量要求为轴线偏差-0.5m-0.5m，标高偏差-0.5m-0m，宽度偏差-0.2m-2.5m，远远超出了现行的疏浚工程和水运工程规范要求，采取常规技术和设备难以满足隧道基槽的开挖质量要求。

为确保隧道基槽开挖施工质量，将隧道基槽开挖划分为粗挖、精挖及清淤三个部分，其中粗挖完成后至设计底标高间泥层的高精度开挖，是确保隧道基槽施工的关键工序。为了保证精挖精度，对现有疏浚船舶功效和开挖质量进行比较，决定对广航局30m3非自航抓斗式挖泥船“金雄”轮进行改造，如图5所示。

图5 精挖施工效果图

船舶性能参数及改造项目

广航局“金雄”轮2009年建造，30m3非自航抓斗式挖泥船，长68米，宽25米，吃水2.8米，最大挖深75米，具有定深、自动挖掘整平及碎岩功能；能满足最大风级蒲氏六级、最大水流速度2m/s，最大浪高3m进行施工作业；可挖掘土质为泥土、黏性土、风化岩、碎石等。 

1.改变挖掘控制模式 

隧道基槽精挖作业采用新的高程控制模式，将RTK（可直接接收港珠澳大桥工程统一的CORS系统信号）安装在抓斗上部，通过新设计的“抓斗船疏浚监控系统”，实时跟踪RTK基准高程和抓斗钢丝绳下放长度，智能控制挖掘高程。该控制模式可消除潮位、风浪流、斗重变化、船舶吃水变化等因素影响。

2.抓斗船疏浚监控系统改造

将“金雄”轮“疏浚作业图形显示系统”，改造成“疏浚作业监控系统” ，基准选择具备RTK和潮位双控能力 ；海底地形测控系统支持三维海底地形电子文件；自动寻深功能；超深限制功能；综合偏差调整功能。

3.定深系统改造

抓斗钢丝绳主卷筒脉冲传感器精度，从原有的10厘米提升到1厘米。

4.平挖系统改造

调整“金雄”的平挖高差，从现在的30厘米减少到5厘米。

项目技术优势

抓斗船高精度挖泥控制模式。运用计算机技术，实现疏浚船舶直接高程控制挖泥的全新模式，系国内外首创。

新型自动整平挖泥控制系统，由该计算机系统辅助实现高精度挖泥作业模式，理论最大误差±2.008cm。平整模式时，抓斗垂直综合开挖精度＜+30cm的可信度达到95%。当采用定深挖泥模式施工时，抓斗位定深精度，开挖精度＜+25cm的可信度为98%。该控制系统可达到国际先进水平。

定深系统优化，国内领先。抓斗起升钢丝绳主卷筒脉冲传感器精度从原来的100mm提升到10mm。

应用前景分析

该项研究成果，将直接运用到港珠澳大桥沉管隧道基槽开挖工程中，将有效提高抓斗挖泥船高精度挖泥的施工效率，创造良好的经济和社会效益。

通过本研发，形成隧道基槽设计与施工的关键技术。为今后类似的深水基槽开挖工程做准备。如粤海通道工程、渤海湾大连至旅顺口的海底隧道、台海跨海通道等工程，都可能涉及深水、多土质、变坡等复杂的施工控制条件。

此外，本研究依托工程所产生的技术、数据，可填补我国在水运工程、疏浚工程等相关行业的规范、标准、工法的空白。 

为确保隧道基槽开挖施工质量，将隧道基槽开挖划分为粗挖、精挖、清淤三个部分。其中清淤施工是粗挖结束后精挖前清除基槽淤积的泥沙，以及精挖后清除基槽和基床上部回淤的浮泥层。国内现有的疏浚船舶疏浚深度和精度控制难以满足施工质量要求，经分析比较，决定对广航局3000m3/h绞吸船“捷龙”轮进行改造，如图6所示。

图6 清淤船施工示意图和实景图

船舶性能参数及改造项目

广航局 “捷龙”轮，3000m3/h绞吸船，1994年荷兰IHC 船厂建造，船长72.1m，型宽14.9m，型深4.25m，挖泥时吃水2.4m，装机总功率7425kw，泥泵总功率1908kw×2 ，最大挖深34m。

利用“捷龙”现有船体，对泵吸系统、起吊装置、桥梁以及操作系统等进行改装，以达到开挖50m以上水深泥层的要求。通过改装后，“捷龙”将使用带DOP吸盘系统（DOP动力装置以及专用吸盘）的新桥梁架，可实现对50m以上深度精确吸淤，并可利用加置铰刀装置，以满足对密实度相对较大泥层的破土开挖功能。 

项目技术优势

通过使用轻质桥梁和绞车CT装置配合实现原绞吸船挖泥深度由原来的25m提高至50m,此改造系国内首创。

定位精度在100mm，清淤精度达到0.5m。通过一系列传感设备监控并结合船上控制系统实现精确定位清淤，该控制系统可达到国际先进水平。

自适应式高效清淤吸头，满足不同的施工环境对吸头的要求，达到国际先进水平。

400mm直径的排泥管用于无遮蔽海域疏浚项目，装驳系统的管路和装驳形式属于国内外首创。

应用前景分析

该项目的实施，将填补国内相关深水清淤工程专用设备和技术的空白。深水定点清淤技术和关键设备可以推广至其他挖泥船的改造，适应不同施工需求，在工程中有很好的应用前景，并能大大提高经济效益。 

为了保证沉管隧道基床承载力和沉降符合设计要求，在碎石垫层下铺设一层块石并进行夯实整平。抛石夯平区域为沉管隧道基床，长约2664m，宽约50m，高约2m，共需10-100kg块石40.7万m3。

沉管隧道基础抛石夯平施工具有施工难度大，施工精度要求高，安全环保风险大等特点。在复杂的外海水域，作业水深达44m，夯平密实后的标高偏差30cm，在国内没有现成的经验和作业设备。

根据施工工艺要求，为了克服水流力影响抛石精度，决定对驳船“振驳28”进行改造，同时开发能满足精度要求的抛石设备。 

船舶性能参数及改造项目

“振驳28”上海振华重工所有，2009年12月出厂，船长82m，型宽28m，型深7.6m，满载排水量11838吨。 

图7 抛石夯平船施工示意图和实景图

在改造项目中，增设两套溜管抛石系统，由溜管、小车、卷扬机、轨道、测量控制系统组成；增设液压夯实整平系统，由吊架、液压振动锤、夯板、行走机构、轨道等组成；增设测量控制系统，抛石夯平船上安装GPS定位系统，溜管小车和夯平小车测距仪和多通道测试仪，控制夯平抛石区域、抛石量和基床底标高。

项目技术优势

 抛夯一体船，属国内首创。采用大型液压振动锤进行水下夯平施工，填补水运施工领域空白。满足抛石后1m的高差内正常夯平作业，且夯平高差小于20cm，该技术处于国内领先水平。

应用前景

该项目采用液压振动锤进行水下夯平施工，具有设计简单、投入少、夯平效果好、适应范围广，能广泛运用于水下地基处理。